Inhaltsverzeichnis Wolfgang Reinhold Elektronische Schaltungstechnik Grundlagen der Analogelektronik ISBN: 978-3-446-42164-6 Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-42164-6 sowie im Buchhandel. Carl Hanser Verlag, München
Inhaltsverzeichnis 1 Physikalische Grundlagen der Halbleiterelektronik... 13 1.1 Leitfähigkeit von Halbleitern... 13 1.1.1 Eigenleitung... 13 1.1.2 Halbleiter mit Störstellen... 15 1.2 Ladungsträgergeneration in Halbleitern... 19 1.3 Ladungsträgertransport in Halbleitern... 20 1.4 Aufgaben... 21 2 Berechnungsmethoden elektronischer Schaltungen... 22 2.1 Analysemethoden und -werkzeuge zur Schaltungsberechnung... 23 2.1.1 Ersatzschaltbilder... 25 2.1.2 Groß- und Kleinsignalanalyse... 26 2.1.3 Kleinsignalersatzschaltung... 27 2.2 Vierpoldarstellung... 28 2.3 Zusammenschaltung von Vierpolen... 32 2.4 Vierpole mit äußerer Beschaltung... 33 2.5 Darstellung des Übertragungsverhaltens... 34 2.6 Signalflussdarstellung... 36 2.7 Computergestützte Netzwerkanalyse... 37 2.8 Aufgaben... 39 3 Halbleiterdioden... 41 3.1 pn-übergang... 41 3.1.1 Wirkprinzip... 41 3.1.2 Strom-Spannungs-Kennlinie... 44 3.1.3 Ladungsspeicherung... 46 3.2 Kleinsignalverhalten... 47 3.3 Schaltverhalten... 50 3.4 Temperaturverhalten... 52 3.5 Spezielle Dioden und ihre Anwendungen... 53 3.5.1 Gleichrichterdiode... 53 3.5.2 Z-Diode... 55 3.5.3 Kapazitätsdiode... 58 3.5.4 Tunneldiode... 59 3.5.5 Schottky-Diode... 60 3.6 Mikrowellendioden... 61 3.6.1 IMPATT-Diode... 61 3.6.2 Gunn-Diode... 62 3.7 Aufgaben... 63
8 Inhaltsverzeichnis 4 Bipolartransistoren... 65 4.1 Wirkprinzip... 65 4.2 Strom-Spannungs-Kennlinie... 67 4.3 Nutzbarer Betriebsbereich... 72 4.4 Bipolartransistor als Verstärker... 74 4.4.1 Kleinsignalmodell des Bipolartransistors... 75 4.4.2 Frequenzabhängigkeit des Übertragungsverhaltens des Bipolartransistors 78 4.5 Temperaturverhalten von Bipolartransistoren... 83 4.6 Arbeitspunktabhängigkeit der Stromverstärkung... 85 4.7 Bipolartransistor als elektronischer Schalter... 86 4.7.1 Schaltung eines Transistorschalters... 86 4.7.2 Stationäres Schaltermodell des Bipolartransistors... 86 4.7.3 Dynamisches Verhalten eines Transistorschalters... 88 4.8 Aufgaben... 91 5 Thyristoren... 95 5.1 Aufbau und Wirkungsweise... 95 5.2 Thyristorvarianten... 97 5.3 Anwendungen von Thyristoren... 98 5.4 Aufgaben... 101 6 Feldeffekttransistoren... 102 6.1 MOSFET... 103 6.1.1 Wirkprinzipien verschiedener MOSFET-Typen... 103 6.1.2 Strom-Spannungs-Kennlinie eines MOSFET... 104 6.1.3 Ableitung der Strom-Spannungs-Kennlinie eines MOSFET... 108 6.1.4 MOSFET als Verstärker... 110 6.1.4.1 Kleinsignalmodell des MOSFET... 110 6.1.4.2 Frequenzabhängigkeit des Übertragungsverhaltens... 113 6.1.4.3 Effekte bei integrierten MOSFET... 114 6.1.5 MOSFET als elektronischer Schalter... 115 6.1.6 Thermisches Verhalten des MOSFET... 118 6.2 Sperrschicht-FET... 119 6.2.1 Strom-Spannungs-Kennlinie eines SFET... 119 6.2.2 Kleinsignalverhalten eines SFET... 120 6.3 SFET als Verstärker... 121 6.4 Aufgaben... 122 7 Rauschen elektronischer Bauelemente... 125 7.1 Widerstandsrauschen... 125 7.2 Diodenrauschen... 126 7.3 Transistorrauschen... 128 7.4 Rauschspannung... 129 7.5 Rauschfaktor... 130 7.6 Aufgabe... 131
Inhaltsverzeichnis 9 8 Operationsverstärker... 132 8.1 Der ideale Operationsverstärker... 132 8.2 Aufbau eines Operationsverstärkers... 133 8.3 Statische Kenngrößen realer Operationsverstärker... 134 8.4 Dynamische Kenngrößen realer Operationsverstärker... 138 8.5 Verstärkerschaltungen mit Operationsverstärker... 139 8.5.1 Grundschaltungen eines Spannungsverstärkers... 139 8.5.2 Kompensation von Offsetspannung und Offsetstrom des Operationsverstärkers... 141 8.6 Dynamisches Verhalten vonoperationsverstärkerschaltungen... 142 8.7 Rauschen in Operationsverstärkern... 144 8.8 Moderne Operationsverstärkertypen... 144 8.9 Aufgaben... 147 9 Optoelektronische Bauelemente und Halbleitersensoren... 149 9.1 Fotosensoren... 149 9.2 Leuchtdioden... 152 9.3 Optokoppler... 155 9.4 Spezielle Halbleitersensoren... 155 9.4.1 Temperatursensoren... 155 9.4.2 Magnetfeldsensoren... 157 9.4.3 Piezowandler... 158 9.5 Aufgaben... 159 10 LineareVerstärkergrundschaltungen... 161 10.1 Allgemeines Kleinsignalmodell eines Spannungsverstärkers... 161 10.2 Einstufige Verstärker mit Bipolartransistoren... 163 10.2.1 Emitterschaltung... 164 10.2.2 Basisschaltung... 171 10.2.3 Kollektorschaltung (Emitterfolger)... 174 10.2.4 Vergleich der einstufigen Transistorverstärkerschaltungen... 176 10.3 Einstufige Verstärker mit Feldeffekt-Transistoren... 177 10.4 Grundschaltungen mit mehreren Transistoren... 178 10.4.1 Kaskodeschaltung... 178 10.4.2 Differenzverstärker... 180 10.4.3 Stromspiegel... 184 10.4.4 Differenzverstärker mit Stromspiegellast... 187 10.4.5 Transistor-Stromquellen... 188 10.4.6 Darlington-Schaltung... 191 10.4.7 Leistungsendstufen... 192 10.5 Frequenzverhalten von Verstärkerstufen... 197 10.6 Kopplung von Verstärkerstufen... 199 10.7 Aufgaben... 200
10 Inhaltsverzeichnis 11 Gegenkopplung... 204 11.1 Allgemeines Modell der Gegenkopplung... 204 11.2 Schaltungsarten der Gegenkopplung... 206 11.3 Effekte der Gegenkopplung... 207 11.3.1 Einstellung eines definierten Übertragungsfaktors... 207 11.3.2 Linearisierung des Übertragungsfaktors... 207 11.3.3 Parameterempfindlichkeit... 209 11.3.4 Einfluss der Gegenkopplung auf Ein- und Ausgangsimpedanz... 210 11.3.5 Übertragungsbandbreite... 211 11.3.6 Miller-Effekt... 212 11.3.7 Bootstrap-Effekt... 213 11.3.8 Gezielte Beeinflussung des Frequenzganges eines Verstärkers... 214 11.4 Anwendungen der Gegenkopplungsvarianten... 214 11.4.1 Operationsverstärkerschaltungen mit Gegenkopplung... 214 11.4.2 Transistorschaltungen mit Gegenkopplung... 217 11.5 Stabilität rückgekoppelterverstärker... 220 11.6 Frequenzgangkorrektur von Verstärkern... 223 11.7 Aufgaben... 225 12 Schaltungen mit Operationsverstärkern... 227 12.1 Lineare Verstärker... 227 12.1.1 Nicht invertierender Verstärker... 227 12.1.2 Invertierender Verstärker... 228 12.2 Rechenschaltungen... 229 12.2.1 Addierer... 229 12.2.2 Subtrahierer... 230 12.2.3 Differenzierer... 232 12.2.4 Integrator... 236 12.2.5 Multiplizierer... 239 12.2.6 Dividierer... 240 12.3 Nichtlineare Schaltungen... 240 12.4 Komparatoren und Schmitt-Trigger... 241 12.5 Stromquellen... 243 12.6 Schaltungstechnik mit modernen Operationsverstärkern... 244 12.6.1 VC-OPV und seine Anwendung... 244 12.6.2 CV-OPV als Hochfrequenz-Baublock... 246 12.6.3 CC-OPV und seine Anwendung als idealer Transistor... 248 12.7 Elektronische Regler... 249 12.7.1 P-Regler... 250 12.7.2 PI-Regler... 251 12.7.3 PID-Regler... 252 12.8 Aufgaben... 254
Inhaltsverzeichnis 11 13 Filterschaltungen... 256 13.1 Filtereigenschaften und Kennwerte... 256 13.2 Passive Filter... 261 13.3 Aktive RC-Filter... 265 13.3.1 Tiefpässe 2. Ordnung... 266 13.3.2 Hochpässe 2. Ordnung... 270 13.3.3 Bandpässe 2. Ordnung... 273 13.3.4 Bandsperren 2. Ordnung... 277 13.4 Universalfilter... 280 13.5 SC-Filter... 281 13.5.1 SC-Integrator... 281 13.5.2 Schaltungsrealisierung von SC-Filtern... 283 13.6 Aufgaben... 284 14 Schwingungserzeugung... 285 14.1 Sinusoszillatoren... 285 14.1.1 Zweipoloszillatoren... 285 14.1.2 Vierpoloszillatoren... 288 14.1.2.1 Grundstruktur und Schwingbedingung... 288 14.1.2.2 RC-Oszillatoren... 289 14.1.2.3 LC-Oszillatoren... 292 14.1.2.4 Quarzoszillatoren... 295 14.2 Impulsoszillatoren... 297 14.2.1 Funktionsgeneratoren... 297 14.2.2 Relaxationsoszillatoren... 298 14.2.2.1 Dreieck-Rechteck-Generator... 298 14.2.2.2 Kippschaltungen... 300 14.3 Aufgaben... 301 15 Frequenzumsetzer... 302 15.1 Amplitudenmodulation... 303 15.1.1 AM-Modulatoren... 304 15.1.2 AM-Demodulatoren... 306 15.2 Frequenzmodulation... 309 15.2.1 FM-Modulatoren... 312 15.2.2 FM-Demodulatoren... 313 15.3 Phasenmodulation... 315 15.3.1 PM-Modulatoren... 315 15.3.2 PM-Demodulatoren... 316 15.4 Mischer... 317
12 Inhaltsverzeichnis 16 Stromversorgungseinheiten... 320 16.1 Gleichrichterschaltungen... 320 16.2 Spannungsstabilisierung... 324 16.2.1 Ungeregelte Stabilisierungsschaltungen... 325 16.2.2 Kontinuierliche Spannungsregler... 325 16.2.3 Diskontinuierliche Spannungsregler... 327 16.2.3.1 Drosselregler... 328 16.2.3.2 Ladungspumpen... 333 16.3 Erzeugung vonreferenzspannungen... 335 16.3.1 Referenzspannungsquellen mit Z-Dioden... 335 16.3.2 Bandgap-Referenz... 335 16.4 Schaltnetzteile... 337 16.5 Aufgaben... 340 17 Analog/Digital- und Digital/Analog-Wandler... 342 17.1 Kennwerte vona/d- und D/A-Wandlern... 343 17.1.1 Stationäre Kennwerte... 343 17.1.2 Dynamische Kennwerte... 346 17.2 A/D-Wandlungsverfahren... 348 17.2.1 A/D-Wandlung nach dem Zählverfahren... 348 17.2.2 A/D-Wandlung mit sukzessiver Approximation... 350 17.2.3 A/D-Wandlung nach dem Parallelverfahren... 350 17.2.4 A/D-Wandlung nach dem Pipeline-Verfahren... 351 17.2.5 Sigma-Delta-Wandler... 352 17.3 D/A-Wandlungsverfahren... 354 17.3.1 D/A-Wandlung nach dem Zählverfahren... 355 17.3.2 D/A-Wandlung nach dem Wägeverfahren... 356 17.3.3 D/A-Wandlung nach dem Parallelverfahren... 359 17.3.4 Fehlerkorrigierende D/A-Wandlung... 360 17.4 Aufgaben... 360 Formelzeichenverzeichnis... 362 Literaturverzeichnis... 365 Sachwortverzeichnis... 368